单颗粒气溶胶质谱仪的性能表征及应用研究

【摘要】：气溶胶是悬浮在气体中的固体或者液体共同形成的多相体系。如:灰尘，雾，烟，或烟雾等都是常见的大气气溶胶。气溶胶颗粒在大气中无处不在，与我们的日常生活息息相关。气溶胶由于其对局部、区域以及全球环境的巨大影响，而越来越为人们所重视。局部影响包括汽车尾气排放、木材的燃烧、工业过程以及其他能导致城市空气污染以及可能造成有害健康影响的气溶胶源；区域问题包含气溶胶从排放物浓度高的地方传输至相对干净的远方；全球变暖以及对流层，平流层中发生的非均相化学过程影响了整个地球。传统的气溶胶分析技术主要是整体分析技术和离线分析技术，如离子色谱和激光微探针质谱法等。但这些技术要预先收集颗粒物然后再进行分析，耗费大量的人力和时间。此外样品在采集、存储、保存的过程中发生凝结、反应、气粒转化等过程，因而不能准确反映颗粒的原始组成。单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪作为一种新型的气溶胶分析技术能够从单个颗粒的层面上识别颗粒的尺寸大小和化学组成，具有极高的时间和空间分辨率。目前该技术主要为发达国家所掌握。本小组在国家863项目支持下研制了一台单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪。本论文将围绕仪器的原理、校正和性能表征、环境实验、香烟颗粒检测的初步应用等四个方面的工作展开论述： （1）单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪原理及功能介绍。这是论文第二章节的内容，在这一章全面描述了单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的结构：包括单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的真空系统、进样系统、双光束测径系统、激光解析电离飞行时间质谱检测系统、数据采集系统、以及数据处理方法。 （2）单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的校正和性能表征。这是论文第三章节的主要内容，是本人独立完成的部分。本章首先对单颗粒气溶胶质谱质谱仪的校正方法做了说明。通过标准的PSL小球对仪器进行了粒径校正，并考察了进样压力对粒径测量的影响。实验结果表明进样压力的微小变化会导致颗粒飞行时间的变化，尤其是对大颗粒的影响较大。测径精度实验结果显示720nm的标准小球粒径分散度与样品所标定的20nm的分散度一致。证明了单颗粒气溶胶质谱仪在粒径测量方面的准确性。通过对邻苯二甲酸二辛酯的激光电离实验研究激光的能量对有机物碎片形成的影响以及激光能量对打击效率的影响。随后叙述了单颗粒气溶胶质谱仪的测径效率的表征实验。这些基础性的实验对保证仪器数据结果的准确性非常重要。此外，通过对广州地区气溶胶的实际检测，运用ART-2a法对检测的颗粒进行了分类，并手动将其归类合并为5大类。初步显示了单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的实际应用能力，为进一步的气溶胶研究工作的开展打下了基础。 （3）单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪环境应用初步结果。本章是论文第四章节的内容，主要工作由本人完成。本章描述了单颗粒气溶胶质谱仪在广州亚运会期间环境监测中的实际应用。并介绍了单颗粒质谱仪数据搜索标准，总颗粒与以及含某一特定种类颗粒的数量变化趋势。通过分析颗粒的粒径、数量变化、颗粒的平均谱图之间的关系分析了该低区的含金属气溶胶的一些特征及其可能来源。以四个不同类型的单个颗粒为例说明了单颗粒气溶胶质谱仪在研究颗粒混合态性质中的巨大作用。最后结合文献所报道的方法证实了含Pb颗粒在大气中发生的非均相化学反应过程，证明了自制气溶胶质谱仪数据结果的可靠性。值得注意的是本章仅仅是对单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪数据做了很简单的阐述，对这些数据完整细致的分析有待下一步的工作来完成。 （4）单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在香烟烟雾检测中的应用。本章是论文的第五章节的内容，本人是主要参与者。本章节利用单颗粒气溶胶质谱仪对不同品牌香烟燃烧产生的主流烟雾、侧流烟雾、24小时老化之后的烟雾进行了检测。结果表明，主流烟雾中尼古丁的数浓度比例要高于侧流烟雾中尼古丁的数浓度比例；老化的香烟烟雾中尼古丁的数浓度的比例高于新鲜的烟雾中尼古丁的数浓度比例；香烟燃烧的主流烟雾中尼古丁的数浓度比例基本都在50%以上。实验结果还表明，主流烟雾的颗粒谱图与侧流烟雾的颗粒谱图在负离子的组成方面存在着很大的差异；老化的香烟烟雾中大颗粒的比例要大于新鲜烟雾中大颗粒的比例；此外，各种品牌的香烟燃烧烟雾中都存在有一定数浓度的重金属颗粒；但不同品牌的香烟在不同种类的金属含量之间存在差异。